废弃花生壳/EVA复合材料的制备及其吸声性能

吕丽华 李长伟 吴晨星

摘 要：为废弃花生壳寻找合理的应用途径，以废弃花生壳为增强材料，EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）粉末为基体材料，采用热压法，制备废弃花生壳/EVA吸声复合材料。在热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min条件下，探究废弃花生壳质量分数、材料厚度、材料密度及后空气层厚度对材料吸声性能的影响。结果表明，废弃花生壳质量分数为50%，材料厚度为30 mm，密度为0.382 g/cm3，后空气层厚度为30 mm时，废弃花生壳/EVA复合材料在低中高频率范围内吸声性能优异，最大吸声系数可达到0.92，属于高效吸声材料。

关键词：废弃花生壳；吸声性能；复合材料；吸声系数

中图分类号：TS102.9

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）04-0012-05

Abstract：In order to find a reasonable way to use the discarded peanut shells， the discarded peanut shell/EVA （ethylene vinyl acetate） sound absorbent composites were prepared with hot pressing method by using the discarded peanut shells as reinforced material and EVA powder as matrix material in this paper. Under the conditions of hot pressing pressure 5 MPa， hot pressing temperature 120 ℃ and hot pressing time 8 min， the effects of mass fraction of discarded peanut shells， thickness of composites， density of composites and thickness of the air layer on the sound absorption performance of the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites were investigated. The results show that the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites have excellent sound absorption properties in the low， medium and high frequency range， and the maximum absorption coefficient can reach 0.92 under the following conditions： mass fraction of discarded peanut shells 50%， thickness of composites 30 mm，density of composites 0.382 g/cm3 and thickness of the air layer 30 mm. Therefore，the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites belong to the high sound absorption materials.

Key words：discarded peanut shell； sound absorption properties； composite material； absorption coefficient

中國是花生生产大国，种植面积居世界第二，年产量居世界第一[1]。全国每年产生的花生壳废弃物高达500万t，除了一部分的花生壳用作饲料和燃料使用之外，绝大部分花生壳被烧掉或扔掉，很大程度上造成资源的浪费。花生壳本身是一种天然高分子材料，具有密度低、价格低廉、生物降解性好的特点[2]。因此，为了提高花生壳的利用价值，寻找其合理的应用途径，具有重要意义。噪音污染随着工业化的进程和现代化步伐的加快而变得愈加严重。另外，以听闻作为重要功能的环境如录音室、演播室、电影院等声学建筑同样和室内声学材料的设计安装有关[3]。因此，开发出改善听闻条件，具有降噪功能的吸声材料来有效地控制噪音污染是亟待去研究解决的课题。

用吸声系数α表征材料的吸声性能。当材料吸声系数设定在0～1范围，吸声系数越大，则吸声性能越好。一般认为是平均吸声系数大于0.2的是吸声材料。如果平均吸声系数大于0.56时，则称为高效吸声材料[4]。利用废弃花生壳制备吸声系数高且吸声频带宽的吸声材料，一方面，合理利用资源，变废为宝，解决了花生壳废弃物对环境污染，具有很好的社会效益；另一方面，该吸声材料可以满足建筑装饰等领域的需要，将收到良好的经济效益。

Zaaba等[5]利用聚乙烯醇对花生壳粉/再生聚丙烯复合材料进行改性，研究了其吸水性和拉伸性能。Raj等[6]将聚乙烯和有机填料（核桃壳、花生壳粉）混合，研究了复合材料的成型条件。Mehmet等[7]制备不同比例的花生壳粉末和木纤维的纤维板，并研究其弹性模量和断裂强度。Nishikawa[8]研究了聚乳酸/花生壳粉复合材料的吸水特性和弯曲性。国内于1981年8月，研究并制备机械强度较好的聚烯烃/花生壳粉复合材料，1982年11月开始小批量生产板材和异形材等产品，并通过安徽省级技术鉴定[9]。张冰等[10]采用双螺杆挤出机将花生壳和锯末等原料进行塑木复合材料的混合与成型。而黄兆阁等[11]研究花生壳粉填充改性聚丙烯（PP）的性能，同样利用双螺杆挤出工艺。赵娟等[12]比较了木粉、竹粉、花生壳粉、稻壳等木塑复合材料的力学性能，发现木粉最好，竹粉次之，花生壳粉次于竹粉，而稻壳制备的木塑复合材料力学性能是其中最差的。刘文鹏等[13]研究了偶联剂、相容剂、木粉用量和填料种类对以木粉、竹粉、花生壳粉、稻壳粉制备的复合材料力学性能的影响。何帆[14]研究了锯末、刨花、花生壳等木粉填充聚丙烯板材在汽车上的运用。如姚雪霞等[15]为了改善花生壳与高密度聚乙烯（PE-HD）基体的界面相容性，分别采用5% NaOH、5% HAc、高温和微波水浴4种方法对花生壳粉进行预处理，后用硅烷偶联剂KH550处理花生壳粉，再用模压工艺方法制备成PE-HD/花生壳复合材料，结果发现此处理方法提高花生壳粉和PE-HD的界面相容性。崔靖等[16]利用花生壳粉末与聚丙烯（PP）均匀混合后制备木塑复合材料，重点探讨了其成型工艺条件及力学性能。由以上可知，国内外研究的重点都是利用花生壳粉末制作木塑复合材料，重点研究其力学性能及工艺条件。邹亚玲等[17]采用阻抗管法测试了纳米纤维毡复合材料的吸声性能。沈岳等[18]分析了厚度、密度和纤维直径对活性碳纤维毡吸声性能的影响，采用阻抗管在250～6 300 Hz频率声波范围内对吸声材料进行了测试。还未见，有文献报道废弃花生壳复合材料的吸声性能。而废弃花生壳中含有较多的粗纤维，类似于纺织材料，具有优异的吸声性能。本文以废弃花生壳和EVA粉末为原料，用热压法，制备废弃花生壳/EVA复合材料，并详细探究废弃花生壳质量分数、材料厚度、材料密度及后空气层厚度对材料吸声性能的影响。

1 试 验

1.1 原料与仪器

实验原料：废弃花生壳（大连金州开发区居民家中）；EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate），白色粉末状，15目，醋酸乙酯质量分数为20%～35%，分子式：（CH2CH-OH）n，软化点60 ℃，熔点77 ℃，苏州亿富塑化有限公司）。

实验仪器：高效粉碎机（JFSD-100-Ⅱ，上海嘉定粮油仪器检测仪器厂）；MN压力成型机（QLB-50D/Q，江苏无锡中凯橡塑机械有限公司）；吸声测试系统（SW477/SW422，北京声望公司）。

1.2 制备与测试

1.2.1 吸声复合材料的制备

废弃花生壳/EVA复合材料制备流程图如图1所示。

将废弃花生壳置于粉碎机中，处理成粉末状材料（约为80～100目）。其中复合材料的热压工艺参数为：热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min。废弃花生壳/EVA复合材料样品实拍图如图2所示。废弃花生壳/EVA复合材料显微镜图如图3所示。图2为花生壳质量分数为50%，材料厚度为30 mm、材料密度为0.382 g/cm3，后空气层厚度为30 mm，热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min条件下，所制得的废弃花生壳/EVA复合材料。该复合材料成型良好，表面可看到废弃花生壳碎屑与EVA结合情况较好。通过热压工艺制备复合材料将废弃花生壳粘结起来，使该吸声材料保持一定的机械性能，并通过控制热压工艺参数使其获得较好的吸声性能。在较优的热压工艺参数下研究废弃花生壳/EVA复合材料自身因素对吸声性能的影響。

1.2.2 吸声复合材料的测试

本实验采用传递函数法测试材料的吸声性能，测试过程符合GB/T 18696.2—2002和GB/T 18696.1—2004标准，测试的频率范围在80～6 300 Hz范围。测试系统如图4所示。测试时将样品置于贴近刚性后盖板的一端并固定。当测试材料后空气层厚度时，可调节深度的刚性后盖板距样品的距离即为后空气层厚度。

2 结果与讨论

2.1 废弃花生壳质量分数对吸声系数的影响

热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min，材料厚度10 mm，材料密度0.5 g/cm3条件下，废弃花生壳质量分数分别为30%、40%、50%时，材料的吸声系数曲线如图5所示。

图5可知，废弃花生壳/EVA复合材料的吸声系数随废弃花生壳质量分数的增大而增大。原因可能为：废弃花生壳中含有较多的粗纤维，类似于纺织材料，纺织材料具有一定的阻尼特性，阻尼性能来源于分子链的运动、内摩擦力以及大分子链之间物理键间的不断破坏与重建。当在声波作用下，分子链链段产生运动，重新构象弛豫一定的时间，损耗了一部分声能[19]。此外，当声波入射到EVA材料的内部，其中一部分能量必将用于改变分子链和侧基的振动而做功，从而达到吸声的目的。当废弃花生壳质量分数为50%时，材料疏松多空，具有较高的吸声系数。

2.2 材料厚度对吸声系数的影响

在废弃花生壳质量分数为50%，热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min，材料密度0.5 g/cm3条件下，废弃花生壳/EVA复合材料厚度分别为10、20、30 mm，材料的吸声系数曲线如图6所示。

从图6可知，随着材料厚度的增加，吸声频率特性曲线整体的吸声系数都会提高。原因可能为：当声波入射到材料表面，材料厚度增加，整个声能消耗的动程就会增加，耗能累积更多，所以材料能达到更好的吸声效果。材料厚度越小，声能在通道中消耗的越短，声波消耗率低，材料的吸声系数随之降低。当增加材料厚度时，声波在长通道中被阻挡的次数增多，能量损失随之增多，所以吸声系数一般总是增大。

2.3 材料密度对吸声系数的影响

在废弃花生壳质量分数为50%、复合材料厚度为30 mm，热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min 条件下，废弃花生壳/EVA复合材料的密度分别为0.382、0.510、0.637 g/cm3，材料的吸声系数曲线如图7所示。

废弃花生壳/EVA复合材料密度与废弃花生壳和EVA的质量分数密切相关。材料密度的不同会导致复合材料的孔隙率、空气流阻率变化。对于同一种复合材料，密度越大，孔隙率越小，空气流阻率越大。孔隙率过小，即材料的密度过大，声波不易进入材料内部，导致声波与材料之间的摩擦减小，吸声性能减弱；而孔隙率过大，材料疏松，材料孔隙间的空气没有与材料得到充分摩擦，声能不能大量地转化成热能，损耗的声能少，吸声性能也不好。空气流经材料所遇到的阻力被称之为流阻，而孔隙率反映流阻的大小。适当控制流阻，可以使材料获得最佳的吸声效果[20]。一般可用密度去估算材料的孔隙率和流阻率。由图7可知，随着复合材料密度的减小，吸声系数呈现增大趋势。在材料厚度一定时，如果密度过大，可能导致材料的孔隙率与流阻率过大，入射的声能减少，则材料的吸声性能也会减弱。当材料的密度在0.382 g/cm3时，复合材料的吸声系数较好。

2.4 后空气层厚度对吸声系数的影响

在废弃花生壳质量分数为50%、复合材料厚度为30 mm，材料密度为0.382 g/cm3，热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min 条件下，将废弃花生壳/EVA复合材料试样背面离刚性后盖板的距离（即后空气层厚度）分别设为0、10、20、30 mm，材料的吸声系数曲线如图8所示。

从图8可知，中低频段的吸声系数随着试样后空气层厚度的增加有较明显的提高，且吸声曲线峰值由中频段向低频段移动，高频段的吸声系数的数值都较高。由于低频吸声峰是因为厚度方向共振形成的，随着后空气层的增加，共振频率向低频移动，故而在一定范围内，随着厚度的增加，同一低频段的吸声系数的数值增加。

由单因素实验可知，在花生壳质量分数为50%，材料厚度为30 mm、材料密度为0.382 g/cm3，后空气层厚度为30 mm，热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min条件下，废弃花生壳/EVA复合材料吸声系数曲线如图9所示。

在80～500 Hz频率范围内，试样的吸声系数呈增加趋势，在500 Hz声波频率下的吸声系数达到最大值0.92；在500 Hz后呈缓慢下降趋势，但其吸声系数也在0.45以上；在1 500～2 000 Hz声波频率范围内吸声系数再次增加，最大值达到0.84，之后曲线较为平缓，吸声系数基本保持在0.65。即平均吸声系数大于0.56，废弃花生壳/EVA复合材料为高效吸声材料，此复合材料不仅吸声系数高且吸声频带宽（低中高频率范围内，吸声性能优异）。

3 结 论

本文以废弃花生壳为增强材料，EVA粉末为基体材料，采用热压法，制备废弃花生壳/EVA复合材料，并研究其吸声性能，得出以下结论：

a） 在一定范围内，废弃花生壳/EVA复合材料的吸声系数，随废弃花生壳质量分数的增大而增大。

b） 在一定范围内，废弃花生壳/EVA复合材料的吸声系数，随材料的厚度的增大而增大。

c） 在一定范围内，废弃花生壳/EVA复合材料的吸声系数，随着复合材料密度的减小，吸声系数呈现增大趋势。

d） 在一定范围内，废弃花生壳/EVA复合材料的吸声系数，随着试样后空气层厚度的增加而增大，且峰值向低频移动。

当热压压力5 MPa，热压温度120 ℃，热压时间8 min，废弃花生壳质量分数为50 %，材料厚度为30 mm，密度为0.382 g/cm3，后空气层厚度为30 mm时，废弃花生壳/EVA复合材料在低中高频率范围内吸声性能优异，最大吸声系数可达0.92，属于高效吸声材料。

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